Spark Core 开发调优
1、调优的意义
在大数据分析计算领域，Spark已经成为主流的，非常受欢迎的计算引擎之一。Spark的功能涵盖了大数据领域的批处理、类SQL处理、实时计算、机器学习、图计算等多种不同类型的计算操作，应用范围广泛、前景一片大好，今天许多公司作为主流计算引擎使用，大多数Spark使用者，最初都是想提高计算性能而选择使用Spark作为计算引擎的，可见Spark足以使大数据作业执行速度更快，性能得到惊人的提高。然而，通过Spark开发出高性能的大数据作业并不是那么简单的事情，如果没有对Spark进行合理的调优，Spark作业的执行速度很可能受到制约，这样就完全体现不出Spark作为一种快速的大数据计算引擎的优势。因此，想要用好Spark，就不需要其进行合理的调优。
Spark性能调优实际上由多部份组成，不是调节几个参数就能立竿见影。我们需要根据具体的业务场景、数据规模以及集群环境对Spark进行综合性的分析，然后进行多个方面的调节，才能获得综合最佳效果。这里我通过学习Spark的知识，以及在工作中的总结分析，总结出了一些关于Spark作业的优化方案。整套方案分为开发调优，资源调优，数据倾斜调优，shuffle调优几个部分。并发和资源调优是所有Spark作业都要注意和遵循的一些基本元组，是高性能Spark作业的基础；数据倾斜调优，主要讲述了一套完整的用来解决如恶对Spark作业的shuule运行过程以及细节进行调优。
今天介绍下Spark性能优化基础篇，主要讲解开发调优和资源调优。
2、开发调优
Spark 性能优化的第一步，就是在开发Spark作业的时候注意和应用一些性能优化的基本元组。开发调优，就是让大家了解Spark基本开发原则，包括 RDD lineage设计，算子合理使用，特殊操作优化等。在开发过程中，时刻应该注意以上原则，并将这些原则根据不同的业务应用场景，灵活的使用这些规则帮助改善Spark作业的运行效率。
2.1、原则1 避免创建重复的RDD
通常来讲，我们在开发一个Spark作业的时候，首先是基于某个数据源创建一个初始的RDD，接着对这个RDD进行某种算子操作，然后得到下一个RDD，以此类推，循环往复，直到计算出最终我们想要的结果，在这个过程中，多个RDD会通过不同的算子操作串起来，这个RDD串就是 RDD lineage，也就是平时说的RDD血缘关系。我们在开发过程中要注意，对同一份数据之创建一个RDD，不要对一份数据创建多个RDD。一些Spark新手在刚开始开发Spark作业时，可能会忘了自己已经对某一份数据创建了一个RDD，从而导致对于同一份RDD创建了多个RDD，这就意味着，我们的Spark作业进行多次重复的计算来创建多个代表相同数据的RDD，进而增加了作业的性能开销。
例子
/**
* 需要对 名为 t.txt 的文件进行一次 map 操作，在进行一次 reduce 操作，也就是说对一个文件进行两次操作，
* 错误的做法；对同一份数据进行多次算子操作，创建多个RDD
* 这里执行了 两次 textFile 方法，针对同一个文件，创建两个RDD，然后分别执行了对应的操作
* 这种请情况下，Spark需要从文件系统加载两次文件，并创建两个RDD，第二次加载文件创建RDD的开销实属浪费
*/
val rdd1: RDD[String] = sc.textFile("data/1.txt")
rdd1.map(...)
val rdd2: RDD[String] = sc.textFile("data/1.txt")
rdd2.reduce(...)
/**
* 正确的做法：对于一份数据执行多次操作的时候，只创建一个RDD
* 这种做法明显比上一种好多了，因为我们对于同一份数据只创建了一个RDD，然后对这个RDD进行两次算子操作
* 注意这里到此优化并没有结束，由rdd1被执行了两次算子操作，第二次执行reduce操作的时候，还是会再次从源头重新计算一次rdd1 的数据，还是由重复加载数据的开销的
* 要想彻底解决这个问题，需要结合原则三，对多次使用的RDD进行缓存，才能保证多次调用的RDD只计算一次
*/
val rdd1: RDD[String] = sc.textFile("data/1.txt")
rdd1.map(...)
rdd1.reduce(...)
2.2、原则2 尽可能复用一个RDD
除了避免在开发过程中对同一份数据创建多个RDD之外，在对不同的数据执行算子操作时尽可能的复用一个RDD。比如说，有一个RDD的数据时key-value类型的，另一个数据时单 value 类型，这两个RDD的 value数据完全一样，那么我们可以使用key-value类型的RDD，因为其中已经包含了另一个RDD的数据，对于类似的这种RDD的数据有重叠或者包含的情况，我们应该尽量复用一个RDD，这样尽可能减少RDD的数量，从而减少算子执行的次数，
/**
* 错误做法
* rdd1 是一个<Long,String> 格式的RDD
* 接着由于业务需要，对 rdd1 执行一次 map 操作，创建了一个 rdd2,而rdd2 中的数据仅是 rdd1的 value 而已，也就是说，rdd2 是 rdd1 的子集
*/
val rdd1: RDD[(Long,String)] = ...
val rdd2: RDD[String] = ...
//对 rdd1 rdd2进行不同的操作
rdd1.map(...)
rdd2.filter(...)
/**
* 正确做法
* rdd1 & rdd2 无非就是格式不同而已，rdd2完全是rdd1的子集，却创建了rdd2,然后各自进行操作
* 其实这种情况可以复用rdd1,我们可以使用 rdd1 进行一次操作，在执行第二次操作的时候直接使用 rdd1 的 value 部分即可
* */
rdd1.map(...)
rdd1.filter(_.2...)
2.3、原则3 对多次使用的RDD进行持久化
当在Spark代码中对同一个RDD进行多次算子操作时，那么你已经学会了优化原则的第一步了，也就是说复用RDD，此时就在此基础上进行二次优化，也就是说要保证对一个RDD进行多次操作时，这个RDD本身仅计算一次。Spark对于一个RDD执行多次算子操作的原理是这样的；每次对一个RDD进行一次算子操作时，都会重新从源头处计算一遍那个RDD来，然后在对这个RDD进行算子操作，这种方式很影响作业效率。因此对于这种情况，我建议：对于多次使用的RDD进行持久化。此时Spark会根据你的持久化策略，将RDD的数据保存到内存或磁盘中，以后每次对RDD进行操作时，会从持久化的数据中读取RDD数据，然后执行算子，而不是从源头重新计算一遍RDD，再执行算子。
/**
* 如果要对RDD进行持久化，只要调用对这个RDD调用 cache() Huo persist() 方法
* 正确做法
* cache() 使用非序列化方式将RDD持久化到内存中，，此时再对RDD进行两次算子操作时，只有在第一次执行map() 算子时，才会对rdd 从源头处计算一次
* 第二次执行算子时，就会直接从内存中提取数据进行计算，不会重复计算一个rdd
*/
val rdd1: RDD[String] = sc.textFile("data/1.txt").cache()
rdd1.map(...)
rdd1.reduce(...)
/**
* persist() 方法表示 手动选择持久化级别，并使用指定的方式进行持久化
* 比如说，StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER表示，内存充足时优先持久化到内存中，内存不充足时持久化到磁盘文件中。
* 而且其中的_SER后缀表示，使用序列化的方式来保存RDD数据，此时RDD中的每个partition都会序列化成一个大的字节数组，然后再持久化到内存或磁盘中。
* 序列化的方式可以减少持久化的数据对内存/磁盘的占用量，进而避免内存被持久化数据占用过多，从而发生频繁GC。
*/
val rdd2: RDD[String] = sc.textFile("data/1.txt").persist(StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER)
rdd2.map(...)
rdd2.reduce(...)
对于persist()方法而言，可以根据不同的业务场景选择不同的持久化级别。
Spark 持久化级别
持久化级别怎么选择；
1、默认情况下，性能最高的当然时 MEMORY_ONLY,但是前提内存必须足够大，可以绰绰有余存放下整个RDD的所有数据。因为不进行序列化与反序列化操作，就避免了这部分性能开销，对这个RDD的后续算子操作，都是基于内存中的数据操作的，不需要从磁盘文件中读取数据，性能也很高 ，而且不需要复制一份副本，并远程传送到其它节点，但是必须要注意，在实际生产环境，恐怕能够直接使用这种测类的场景还是非常有限的，如果RDD的数据比较大，使用这种方式进行持久化，会导致OOM。
2、如果使用MEMORY_ONLY级别时发生了内存溢出，那么建议使用MEMORY_ONLY_SER，这种级别会将RDD数据序列化后在进行持久化到内存中，此时每个分区仅仅是一个字节数组，大大减少了对象数量，并降低了内存占用，这种级别比MEMORY_ONOLY 多出来的内存开销，主要就是序列化与反序列化的开销，当时后算子可以基于纯内存进行操作，因此性能总体来说比较高，此外，可能发生的事情也是OOM。
3、如果纯内存的级别无法使用，那么建议使用MEMORY_AND_DISK_SRE ，而不是 MEMORY_AND_DISK策略，因为既然到了这一步，说明RDD数据非常大，内存放不下了，序列化后的数据比较少，可以节省内存&磁盘的空间开销，同时该策略会优先尝试将数据持久化到内存中，内存放不下才会持久化到磁盘。
3、通常不建议使用DISK_ONLY 和后缀为_2 的持久化级别，因为完全基于磁盘的数据读写，会导致性能急剧降低，有时候还不如重新计算一次所有的RDD。后缀为_2 的级别，必须将所有数据都复制一份，并发送到其它几点进行备份，数据复制以及会导致网络IO的较大开销，除非是要求作业的极高可靠性，否则不建议使用。
2.4、原则4 尽量避免使用shuffle类算子
如果有可能的话，尽量避免使用shuffle类算子，在Spark作业运行中，最消耗资源的就是shuffle 过程，shuffle 过程简单来说就是将分布在集群中的多个节点上的同一个key，拉取到一个节点上，比如reduceBykey 和 join 都是会触发shuffle 操作。shuffle 过程中，每个节点上的相同key都会先写入本地磁盘文件，然后其它节点需要通过网络传输拉取各个节点上的磁盘文件中相同key ，而且相同key都拉取到相同的一个节点进行聚合曹祖时，还有可能因为key 分布不均，导致某节点上处理的key较多，导致内存不不够存放，进而溢写到磁盘文件中，因此shuffle过程中，可能会发生大量的磁盘文件读写和IO操作，以及数据的网络IO ,磁盘和网络IO也是shuffle性能较差的主要原因。因此在开发Spark中，能避免使用 reduceBykey,join,distinct,repartition 等会进行shuffle的算子，尽量使用map类非shuffle算子，这样的话，没有shuffle或者只有少量的shuffle 算子的spark作业，可以大大减少性能开销。
/**
* 传统 join 会导致 shuffle，因为两个RDD中，相同的key都需要通过网络拉取到一个节点上，由一个task进行join 操作
*/
val rdd3 = rdd1.join(rdd2)
//此时使用 broadcast + map 不会导致shuffle
var rdd2Data=rdd2.collect()
val rdd2DataBroadcast = sc.broadcast(rdd2Data)
var rdd3= rdd1.map(rdd2DataBroadcast....)
//注意使用广播变量，建议仅仅在 rdd2 数据量较少的场景下使用，<2G ,因为每个 Executor 的内存。都会驻留一份 rdd2 的全量数据
2.5、原则5 使用map-side预聚合的shuffle操作
如果因为业务场景需要一定需要shuffle操作，无法使用map类算子替代，那么尽量使用map-suide预聚合类算子。map-side预聚合指的是每个节点本地相同key进行一次聚合操作，类似于MR的本地combiner，map-side预聚合之后，每个节点本地只有一条相同的key，因为多条相同key被聚合起来了，其它节点在拉取所有节点相同key的数据时，就会大大减少所需拉取的数据量，从而减少磁盘/网络 IO,通常来说，在可能的情况下，建议使用reducebykey/aggrebykey算子来替代groupByKey,因为groupByKey算子不会进行预聚合，全量数据会在集群各个节点之间进行分发传输，性能相对较差。比如下，下面两个图，分别基于reducebykey和groupByKey 进行wordcount，其中第一个图是 groupByKey的执行逻辑，可以看到，没有进行任何本地预聚合操作，所有数据都在集群之间传输，第二张图是reducebykey，可以看到，每个节点本地进行相同key的预聚合操作，然后才传输到其它节点上进行全局聚合。
2.6、原则6 使用高性能算子
2.6.1、使用 reduceByKey/aggregateByKey 替代 groupByKey
详见原则5
2.6.2、使用 mapPartition 替代 map
mapPartition类算子，一次函数调用会处理整个partition内部所有数据，而不是像map那样只处理一条数据，性能上相对高出一些，但是有的时候，使用mapPartition会出现OOM，因为单次函数调用就处理整个分区的数据，如果内存不足，垃圾回收时无法回收太多的对象，很可能发生OOM异常，所以使用mapPartitio时要注意当前RDD数据量以及当前集群内存情况。
2.6.3、使用 foreachPartition 替代 foreach
原理类似于 “使用mapPartiti 代替 map”,也是一次函数调用处理整个partition的所有数据，而不是一次函数调用处理一条数据。在工作中，foreachPartition 类的算子，对性能提升很有帮助，比如在foreach 函数中，将RDD的所有数据写入MYSQL，那么如果是普通的foreach算子，就会一条数据一条数据的写入，每次函数调用可能会创建一个数据库链接，此时势必频繁的创建和消费数据库链接，性能是非常低的。但是使用foreachPartition算子一次处理一个分区的数据，那么对于每个partition，只要创建一个数据库链接就行了，然后执行数据批量写入，此时性能是比较高的。对于1W条左右数据量写入MySQL ,使用foreachP和使用foreach，性能有30%的提升。
2.6.4、使用 filter 之后在进行 coalesce
通常对一个RDD执行filter算子过滤掉RDD中较多的数据后，比如需要过滤掉三分之一的数据，建议使用coalesce算子，手动减少RDD的partition数量，将RDD中数据压缩到更少的partitio中，因为filter之后，RDD的每个partition中都会有很多数据被过滤掉，此时如果照常进行后续的计算。其实每个task处理的partition中的数据并不是很多，有一点资源浪费，而且此时处理的task越多，速度越慢，因此coalesce减少partition的数量，将RDD中的数据压缩到更少的partition之后，只要使用更少的task即可处理完所有的partition，在某些场景下，对于性能提升是有帮助的。
2.6.5、使用 repartitionAndSortWithinPartition 代替 repartition与sort
repartitionAndWithinPartition是Spark官网推荐的一个算子，官方建议，如果要在repartition重分区之后，还需要进行排序，建议直接使用repartitionAndSortWithinPartition算子。因为该算子可以一边进行重分区shuffle操作，一边进行进行排序，shuffle和sort操作同时进行。比先shuffle在sort来说，性能有很大提升。
2.7、合理使用广播变量
在平时工作中，会遇到在算子函数中用到外部变量的场景（尤其是大变量，100M~2G的集合或其他数据），那么此时就应该使用Spark的广播变量（Brocast）来提升性能。在算子中使用外部变量时，默认情况下，Spark会将该变量复制多个副本，通过网络传输到task中，此时每个task都有一个变量副本，如果变量本身比较大的话，那么大量的副本在网络中传输的性能开销，以及在各个节点的Executor中占有的内存导致频繁GC，都会较大的制约Spark的整体性能。因此对于上述情况，如果使用外部变量比较大时，见识使用Spark的广播变量，对变量进行广播，广播后的变量，会保证每个Executor都有一份变量副本，而Executor中的task执行共享该Executor的那份变量副本，这样的话可以大大的减少变量副本，从而减少网路传输的性能开销，减少对Executor的内存开销，降低GC频率，从而提升Spark作业执行效率。
//以下代码中算子函数中使用外部变量，没有特殊操作，每个task都会有一份list的副本
var list=...
rdd1.map(list)
/**
* 以下代码中将list封装成了 Broadcast 类型的广播变量，在算子函数中，使用广播变量时，首先判断当前task所在的Executor内存中是否有变量副本
* 如果有就直接使用，如果没有则从Driver或者其他Executor节点上远程拉取一份放到本地Executor 内训中，每个Ex而粗头儿内存只保留一份广播变量
*/
var list1=...
val broadCastList = sc.broadcast(list1)
rdd1.map(broadCastList)
2.8、使用 Kryo 序列化改善序列化性能
在spark中，涉及序列化的地方主要有三个
- 在算子函数中使用外部变量，该变量会序列化后进行网络传输。
- 将自定义的类型作为RDD的泛型类型时(比如JavaRDD，Student是自定义类型)，多有自定义类型的对象，都会进行序列化，因此这种场景下也要求自定义类要实现Serializable接口。
- 使用可序列化的持久化策略时(MEMORY_AND_DISK_SER)，Spark 会将RDD中的每个Partition都序列化成一个字节数组。
对于这三种序列化的地方，我们都可以使用Kryo序列化库，来优化序列化和反序列化的性能。Spark 默认使用的是Java序列化机制，也就是ObjectOutputStream/ObjectInputStream API 进行序列化和反序列化操作，但是Spark同时支持使用Kryo序列化库，Kryo序列化类库的性能比Java的序列化类库的性能高很多，官方介绍，Kryo序列化机制比Java序列化机制性能高出10倍左右，Spark之所有没有使用Kryo作为默认序列化机制的原因是，kryo 要求最好能注册所欲需要进行序列化的自定义类型，因此对于使用者来说有很大麻烦。以下是使用Kryo的代码示例，我们只要设置序列化类，在注册系列化的自定义类型即可（比如算子函数中使用到的外部变量类型，作为RDD泛型类型的自定义类型）。
private val conf: SparkConf = new SparkConf().setMaster("local[*]").setAppName("RDD")
//设置序列化为KryoSerializer
conf.set("spark.serializer","org.apach.spark.serializer.KryoSerializer")
//注册要序列化的自定义类型
conf.registerKryoClasses(Array(classOf[MyStudent],classOf[Person]))
2.9、优化数据结构
java中，有三种类型比较消耗内存
- 对象：每个java对象都有对象头，引用等额外信息，因此比较占用内存空间。
- 字符串：每个字符串都一个字符数组和额外信息。
- 集合类型：比如HashMap.LinkedList，因为集合类型内部通常会使用一些内部类来封装集合元素，比如 Map.Entry
因此 Spark 官方建议，在Spark开发中，特别是对于算子函数中的代码，尽量不要使用上述的数据结构，尽量使用字符串代替对象，使用原始类型（Int,Long）代替字符串，使用数组代替集合对象，这样尽可能减少内存占用。从而降低GC频率，提升Spark效率。但是我在工作发现，要做到该原则其实很难，因为我们需要考虑代码的可维护性，如果一个代码中，完全没有任何对象抽象，全是字符串拼接的方式，那么对于后续的代码维护，无疑是异常艰难的事情。同理所有操作都是数组实现，而不使用HashMap或者LinkedList等集合类型，那么对于我们的开发难度和代码维护也是一个极大的考研，因此我建议，在可能和适当的情况下，使用占用内存较少的数据结构，但是前提是保证代码的可维护性。
